成都市徐堰河柏条河水质监测系统的设计

何鑫　张振宇　李华丽　周兵奇

摘要：徐堰河柏条河作为成都市两条重要的河流，对成都市的供水起到了至关重要的作用，因此徐堰河柏条河的水质情况对成都市的用水安全有着重要的影响。传统的水质监测是通过人工提取水样，将水样带回实验室进行水质分析，该方法无法实现对徐堰河、柏条河水质的实时监测，易造成水质监测情况的延迟。一旦徐柏二河发生污染，这种监测方式不能够及时反映水质污染情况，导致污染进一步扩大。通过采用在线水质监测系统，可以及时了解污染情况，能够马上采取措施，使污染处在一个可控的范围之内。

关键词：成都市；水质监测系统；自动化；传感器

中图分类号：X832 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2016）07-0075-02

1 背景分析

成都市地处川西水网区腹部，本地水资源总量为93.26亿m³，过境水源量为183.76亿m³。虽然成都市本地水资源与过境水资源构成的水资源总量较为丰富，但成都市人均占有量却不足3000m³，仅为世界人均占有量的30%。由此可见，成都市水资源并不充裕，并且已经被列为全国缺水城市之一。随着国家西部大开发战略的提出，城市化进程的逐步推进，成都这个位于中国西部中心的古老城市正再次焕发出别样的风采。稳步发展的经济、便利的交通以及天府之国宜人的气候正吸引越来越多的人来到成都并在此定居生活。日益严峻的人口压力将使本就不丰富的成都市水资源更显得捉襟见肘，市民们的正常用水安全，特别是饮用水安全将面临前所未有的挑战。在有限的水资源条件下，为保障市民们安全、正常用水，水资源得到充分的利用，水质监测迫在眉睫。

从成都市水资源的构成分析，我们把目光聚焦到成都市的徐堰河和柏条河。徐堰河柏条河自西向东贯穿郫县，其不仅是流经郫县水资源最丰富的两条河流，同时也为成都市中心城区提供90%以上的饮用水，直接关系到上千万人的饮水安全，责任重大。因此，在徐堰河柏条河上建立水质监测系统作用非凡，可大大提高成都市用水的安全性，最大限度的利用好本地水资源。

2 设计目标

（1）保证成都市居民的用水安全。我们注意到在成都市城市结构日益发展的同时，居民用水安全问题面临巨大挑战，传统的水质监测模式不能满足及时、实时的要求，水质数据更新缓慢，市民用水安全难以得到有效保障。新的水质监测系统将致力于为相关工作人员提供实时的水质数据，为市民们的安全用水保驾护航。

（2）将自动化运用于水质监测系统。传统的水质监测是采取人工的现场采样、室内实验室分析的方法，其数据传输途径复杂，周期长，耗时费力，而且在工作人员将采样带回实验室的过程中水质可能会发生变化，相关工作人员很难及时全面地掌握水体水质的动态变化，也难以对造成水质变化的原因进行追踪、调查和及时采取相应的措施。基于ZigBee无线网络的在线水质监测系统将使水质监测系统进入到自动化时代，这将大大减少传统水质监测系统运行过程中数据采集、数据传输过程中所耗费的人力物力，新的水质监测系统将更加经济高效，绿色环保。

（3）建立水质综合分析系统。各水质监测节点将与处于终端的水质综合分析处理系统练成网络拓扑结构，运用数据库系统对水质的各项数据、相关仪器、人力等资源进行综合管理，实现多方面、多角度、多目标地对水质进行分析，最大限度地减少影响水质分析结果的因素，为及时、全面的水质分析提供技术支持，对水质恶化等突发情况进行预警，同时也能及时对水质变化原因进行追踪调查，采取及时措施。

（1）水质取样。水质取样是整个系统的龙头，它是整个系统的眼睛，只有拥有犀利灵敏的眼睛，才能保证整个系统的正常运行，这可谓是整个系统的关键所在。水质取样依托于传感器的选用和布置。

对于传感器的选择，其基本要求就是要满足能够实现准确的测量，并且可以实现连续测量的要求。因此，传感器首先应具有高灵敏度，确保能感应到水体中的氧气含量、氮磷含量、PH值、有机物含量、重金属含量等对水质有重大影响的指标的变化，并且能及时的做出反应。其次，考虑到该系统监测的徐、柏二河的流域面大，为了监测数据准确、监测覆盖区域不失一般性的需要，传感器的部署点较广、数量较多，而且传感器的布置不应影响徐、柏二河的正常生态情况，传感器还应满足体积小、成本低的要求。最后，传感器是自动化中重要的一个环节，其处于长期无人看守和相对较恶劣的环境下，为了能保证长久的生命周期和不受外界条件的干扰，传感器必须具备性能稳定和低功耗的要求。

对于传感器的部署，考虑到不同物质由于自身密度不同的原因，其随水流流动的速度不一样，导致污染物等化合物随水流深度的不同，各种需要被监测物质的含量也不同。同时，由于水体内浮游植物、阳光、温度等因素，不同深度的水中，诸如融氧、有机物含量等被监测物质的浓度也会有一定的差异。因此，在建立传感器网络拓扑结构的时候，传感器的布局十分关键。为实现水体中不同深度都有传感器的存在，我们可以通过将传感器通过锚索固定在水底，每个传感器上系一个浮标，通过浮标的浮力使传感器节点悬浮在不同水深。

（2）数据传输。水质监测系统的数据传输可分为三个部分。其一是基于传感器的水质监测节点与汇聚节点之间的数据传输；其二是汇聚节点与嵌入式网关之间的数据传输；其三是嵌入式网关与水质综合分析处理系统之间的数据传输。

传感器与汇聚节点之间的数据传输是整个数据传输中的核心。ZigBee技术具有低功耗、低成本、网络容量大、网络自组织、自愈能力强的特点，其使用协议简单，传输速率在20K字节/秒至250K字节，秒之间，其有效传输范围为10-75m。

ZigBee技术所具有的这些特点契合了传感器正常工作所需要的条件，解决了传感器分布广泛、易受环境干扰等带来的问题。通过ZigBee技术传感器组成一个树形通信网络结构，监测范围得到了有利保障，数据监测节点也更易整合。

在ZigBee传感器网络中，传感器节点分为两类，第一类传感器节点作为终端专职于采集、发送实时数据；第二类类传感器节点兼顾终端和路由器双重功能，在采集、发送实时数据的同时，还要对其他节点发送过来的数据进行存储、融合等处理。数据经过第二类传感器节点整合后再将发送至汇聚节点。汇聚节点为整个无线网络的协调管理者，汇集处理各个节点的数据。由于汇聚节点处数据流量较大，ZigBee技术传输速度慢，且不适于远距离传输，故在数据传输途中设置嵌入式网关实现ZigBee网络和Internet的协议转换。嵌入式网关通过串口获得数据后对其进行封装，通过Internet进行远距离传输至水质综合分析系统。

（3）水质综合分析处理系统。该系统将实现对各项监测数据、监测仪器等一系列相关资源的统一管理，形成高效集成系统。该系统具备实时监控能力，能对徐柏二河水体中的氧气含量、氮磷含量、PH值、有机物含量、重金属含量进行实时监控，依据水质标准对水质进行综合的水质评价，对水质情况进行预报。在与已有数据相比较的基础上，该系统能及时对水质的恶性变化发出预警信息，为相关人员制定应急方案提供参考。系统运行后，在获得大量水质数据的基础上，对水质资料进行整编保存，以此作为以后水质监测综合分析工作的指导。

4 结束语

我国的水质监测以往常采用现场采集水质信息然后回实验室进行后期分析处理的方法，这种传统的方法明显存在采样数量少，水质监测周期长，无法获得水质实时数据，无法对水质突发恶性变化进行预警等方面的不足。徐堰河、柏条河水质监测系统能充分利用系统各组成部分的优势，做到在水质监测区域广采样，及时为后方水质综合分析处理系统传输水质数据，实现对水质的实时监控，提高对水质污染等突发恶性情况的预警处理能力，并以此为成都市居民的用水安全提供保障。自动化的水质监测系统的运用不仅是在成都，在全国也是一项新的工程。在后期使用过程中，确保系统各部分正常运行，达到设计使用目标，真正发挥该系统实时监控预警的作用，这些都将为我国水质监测系统的发展提供参考，具有重要的意义。